论文部分内容阅读
摘要：高层建筑结构设计是针对高层建筑特性的建筑结构设计，是在满足安全、适用、耐久、经济和施工可行的要求下，按照相关设计标准，对建筑结构进行总体布置、技术经济分析、结构的受力分析计算、构造和制图工作，并且寻求优化的过程。本文主要针对高层建筑结构设计要点进行总结，分别阐述了框架体系、剪力墙体系、框架—剪力墙体系、筒体体系的特点和优势。确定合理的结构方案、采取正确的计算模型分析计算、严格执行规范要求、细心绘图才能保证设计的正确性、准确性，保证工程的安全性，提高工程质量。
关键词：高层建筑；结构设计；剪力墙；静力分析
1 高层建筑的工程特点
高层建筑指超过一定高度和层数的建筑。《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010规定10层及10层以上或房屋高度大于28米的住宅建筑以及房屋高度大于24米的其他高层民用建筑混凝土结构为高层建筑。高层建筑可节约城市用地，缩短公用设施和市政管网的开发周期，从而减少市政投资，加快城市建设。
高层结构由于其高度所导致一系列与普通建筑结构不一样的地方：自重大，对材料强度和竖向构件截面直接相关；由于其抗震要求，对结构的延性有更加严格的要求，需要通过控制轴压比等措施来实现；对风荷载更加敏感，且顶端在风荷载作用下有较大位移，对舒适度需要进行校核。
2 高层建筑的结构体系
就我国目前高层建筑的结构体系来看，主要有：框架结构、框架—剪力墙结构、剪力墙结构、框支剪力墙结构、筒体结构等。
框架结构，是由纵梁、横梁和柱组成的结构，这种结构是梁和柱刚性连接而成骨架的结构。框架结构的优点：强度高，自重轻，整体性和抗震性好，柱网布置灵活，便于获得较大的使用空间，施工简便，较经济；框架结构的弱点：抗侧移刚度小，侧移大，对支座不均匀沉降较敏感等。根据受力分析，框架房屋高度增加时，侧向力作用急剧地增长，当建筑物达到一定高度时，侧向位移将很大，水平荷载产生的内力远远超过竖向荷载产生的内力。一般适用于10层以下、以及10层左右的房屋结构。
框架—剪力墙结构，又称框剪结构，框架-剪力墙结构体系是指由框架和剪力墙共同作为竖向承重构件的多（高）层房屋结构体系。由于剪力墙本身具有较好的强度和刚度，因此，在框架体系的强度和刚度达不到建筑使用需求的时候，往往会在框架纵、横方向的适当位置设置若干剪力墙。在这种结构中，框架与剪力墙共同受力，剪力墙承担绝大部分水平荷载，框架则以承担竖向荷载为主，框架-剪力墙结构体系充分发挥了框架和剪力墙各自的特点，既能获得大空间的灵活空间，又具有较强的侧向刚度。所以这种结构形式一般用于写字楼、商住楼、酒店以及某些工艺用房。框架一剪力墙结构，一般用于25层以下房屋结构。
剪力墙体系是受力主体结构全部由平面剪力墙构件组成的一种体系。其不仅能够承担结构中水平构件所产生的竖向荷载，而且还能够承担水平荷载。剪力墙本身具有较高的强度和刚度，同时具有一定的延性，剪力墙结构整体性好，侧向刚度大，适宜做较高的高层建筑，水平力作用下侧移小。缺点是由于剪力墙位置的约束，使得建筑内部空间的划分比较狭小，不能提供大空间房屋。因此较适宜用于宾馆与住宅。剪力墙结构常用于25～30层的建筑物。
筒体结构体系由框架—剪力墙结构与全剪力墙结构综合演变和发展而来的。筒体结构体系是将剪力墙或密柱框架集中到建筑的内部和外围而形成的空间封闭式的筒体的结构形式。在侧向风荷载的作用下，它的受力特点就类似于一个固定在基础上的筒形的悬臂构件。迎风面受拉，背风面受压。筒体结构可分单筒、筒中筒、桁架筒、成束筒等。筒体可以是剪力墙，可以是密柱，也可以根据实际需要采用数量不同的筒。筒体结构多用于高层或超高层公共建筑中。筒体结构一般用于30层以上的超高层房屋结构，经济高度一般不超过80层。
3 高层建筑的结构分析
3.1高层建筑结构分析的基本假定
在进行高层建筑结构分析基本假定的时候，通过采用弹性假定的方法来进行。目前，弹性的计算方法已经成为了工程上最为常见的结构分析方法。通常情况下，建筑结构在垂直荷载和水平荷载的影响下，会处于一个弹性工作阶段，在这种条件下，这种弹性假定是基本符合现实情况的。但是如果遭受到地震和强台风作用的时候，建筑就会根据实际情况产生不同程度的位移，进入到弹塑性的工作阶段。此时如果按照弹性方法对内力和位移情况进行计算，那么其结果必然不能够充分反映结构的工作状态，因此，必须要采用弹塑性动力的分析方法进行分析。此外，在计算侧向位移的时候，需要采用刚性楼板假定来对结构进行分析。
3.2高层建筑结构结构设计需要控制的六个比值
（1）轴压比：轴压比主要为控制结构的延性。
（2）剪重比：剪重比主要为控制各楼层最小地震剪力，确保结构安全性。
（3）刚度比：刚度比主要为控制结构竖向规则性，以免竖向刚度突变，形成薄弱层。
（4）位移比：位移比主要为控制结构平面规则性，以免形成扭转，对结构产生不利影响。
（5）周期比：周期比侧重控制的是侧向刚度与扭转刚度之间的一种相对关系，而非其绝对大小，它的目的是使抗侧力构件的平面布置更有效、更合理，使结构不致于出现过大（相对于侧移）的扭转效应。
（6）刚重比：主要为控制结构的稳定性，以免结构产生滑移和倾覆。
4 高层建筑结构设计的相关问题
4.1剪力墙结构应该具有延性。细高的剪力墙容易设计成具有延性的弯曲破坏剪力墙。当墙的长度很长时，可以通过设置洞口将长墙分成长度较小的墙段，用以分割墙段的洞口上可设置约束弯矩较小的弱连梁。抗震设计时，为保证剪力墙底部出现塑性铰后具有足够大的延性，应对可能出现塑性铰的部位加强抗震措施。
4.2结构的规则性问题：结构的规则性包括平面规则和竖向规则。抗震设计的混凝土高层平面宜简单、规则、对称，减少偏心，长度不宜过长，平面突出部分的长度不宜过大、宽度不宜过小；竖向体型宜规则、均匀，避免有过大的外挑和收进，结构的侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化。在方案阶段就要考虑这些问题，避免在施工图阶段受这些问题的限制。
4.3结构的超高问题：在抗震规范和高规中，对结构的总高度有着严格的限制。在实际工程设计中，出现过由于结构类型的变更而忽略该问题，导致施工图审查时未予通过，必须重新进行设计或需要开专家会议进行论证等工作的情况，对工程工期、造价等整体规划的影响相当大。
4.4嵌固端的设置问题：由于高层建筑一般都带有地下室，嵌固端有可能设置在地下室顶板，也有可能设置在人防顶板，在这个问题上，往往容易忽视由嵌固端的改变带来的一系列问题，如：室内外高差特别大的情况下，如果室内外高差做到了1.2m，那么嵌固端是在基础顶板还是在地下室顶板上，在这种情况下，就应该考虑两种嵌固端的位置分别计算，最后进行包络设计。
4.5短肢剪力墙的设置问题：在规范中，对短肢剪力墙在高层建筑中的应用增加了相当多的限制，最小配筋率比一般剪力墙高出许多，因此，在高层建筑设计中，结构工程师应尽可能少采用或不用短肢剪力墙，以避免增加含钢量。
5 结语
随着我国建筑行业的不断发展，人们对建筑质量的要求也会越来越高。为了能够将人们的要求充分满足，建筑结构必须进行科学合理的设计，这样，不仅能够有效解决目前市场上土地价格上涨给工程造价带来的影响，有效降低了开发商的成本，而且还能够在确保建筑整体质量达到规范标准的基础上，使建筑的结构设计能够满足客户的诸多需求。同时，还在很大程度上实现了房屋外形美观，结构实用、舒适的目标。
关键词：高层建筑；结构设计；剪力墙；静力分析
1 高层建筑的工程特点
高层建筑指超过一定高度和层数的建筑。《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010规定10层及10层以上或房屋高度大于28米的住宅建筑以及房屋高度大于24米的其他高层民用建筑混凝土结构为高层建筑。高层建筑可节约城市用地，缩短公用设施和市政管网的开发周期，从而减少市政投资，加快城市建设。
高层结构由于其高度所导致一系列与普通建筑结构不一样的地方：自重大，对材料强度和竖向构件截面直接相关；由于其抗震要求，对结构的延性有更加严格的要求，需要通过控制轴压比等措施来实现；对风荷载更加敏感，且顶端在风荷载作用下有较大位移，对舒适度需要进行校核。
2 高层建筑的结构体系
就我国目前高层建筑的结构体系来看，主要有：框架结构、框架—剪力墙结构、剪力墙结构、框支剪力墙结构、筒体结构等。
框架结构，是由纵梁、横梁和柱组成的结构，这种结构是梁和柱刚性连接而成骨架的结构。框架结构的优点：强度高，自重轻，整体性和抗震性好，柱网布置灵活，便于获得较大的使用空间，施工简便，较经济；框架结构的弱点：抗侧移刚度小，侧移大，对支座不均匀沉降较敏感等。根据受力分析，框架房屋高度增加时，侧向力作用急剧地增长，当建筑物达到一定高度时，侧向位移将很大，水平荷载产生的内力远远超过竖向荷载产生的内力。一般适用于10层以下、以及10层左右的房屋结构。
框架—剪力墙结构，又称框剪结构，框架-剪力墙结构体系是指由框架和剪力墙共同作为竖向承重构件的多（高）层房屋结构体系。由于剪力墙本身具有较好的强度和刚度，因此，在框架体系的强度和刚度达不到建筑使用需求的时候，往往会在框架纵、横方向的适当位置设置若干剪力墙。在这种结构中，框架与剪力墙共同受力，剪力墙承担绝大部分水平荷载，框架则以承担竖向荷载为主，框架-剪力墙结构体系充分发挥了框架和剪力墙各自的特点，既能获得大空间的灵活空间，又具有较强的侧向刚度。所以这种结构形式一般用于写字楼、商住楼、酒店以及某些工艺用房。框架一剪力墙结构，一般用于25层以下房屋结构。
剪力墙体系是受力主体结构全部由平面剪力墙构件组成的一种体系。其不仅能够承担结构中水平构件所产生的竖向荷载，而且还能够承担水平荷载。剪力墙本身具有较高的强度和刚度，同时具有一定的延性，剪力墙结构整体性好，侧向刚度大，适宜做较高的高层建筑，水平力作用下侧移小。缺点是由于剪力墙位置的约束，使得建筑内部空间的划分比较狭小，不能提供大空间房屋。因此较适宜用于宾馆与住宅。剪力墙结构常用于25～30层的建筑物。
筒体结构体系由框架—剪力墙结构与全剪力墙结构综合演变和发展而来的。筒体结构体系是将剪力墙或密柱框架集中到建筑的内部和外围而形成的空间封闭式的筒体的结构形式。在侧向风荷载的作用下，它的受力特点就类似于一个固定在基础上的筒形的悬臂构件。迎风面受拉，背风面受压。筒体结构可分单筒、筒中筒、桁架筒、成束筒等。筒体可以是剪力墙，可以是密柱，也可以根据实际需要采用数量不同的筒。筒体结构多用于高层或超高层公共建筑中。筒体结构一般用于30层以上的超高层房屋结构，经济高度一般不超过80层。
3 高层建筑的结构分析
3.1高层建筑结构分析的基本假定
在进行高层建筑结构分析基本假定的时候，通过采用弹性假定的方法来进行。目前，弹性的计算方法已经成为了工程上最为常见的结构分析方法。通常情况下，建筑结构在垂直荷载和水平荷载的影响下，会处于一个弹性工作阶段，在这种条件下，这种弹性假定是基本符合现实情况的。但是如果遭受到地震和强台风作用的时候，建筑就会根据实际情况产生不同程度的位移，进入到弹塑性的工作阶段。此时如果按照弹性方法对内力和位移情况进行计算，那么其结果必然不能够充分反映结构的工作状态，因此，必须要采用弹塑性动力的分析方法进行分析。此外，在计算侧向位移的时候，需要采用刚性楼板假定来对结构进行分析。
3.2高层建筑结构结构设计需要控制的六个比值
（1）轴压比：轴压比主要为控制结构的延性。
（2）剪重比：剪重比主要为控制各楼层最小地震剪力，确保结构安全性。
（3）刚度比：刚度比主要为控制结构竖向规则性，以免竖向刚度突变，形成薄弱层。
（4）位移比：位移比主要为控制结构平面规则性，以免形成扭转，对结构产生不利影响。
（5）周期比：周期比侧重控制的是侧向刚度与扭转刚度之间的一种相对关系，而非其绝对大小，它的目的是使抗侧力构件的平面布置更有效、更合理，使结构不致于出现过大（相对于侧移）的扭转效应。
（6）刚重比：主要为控制结构的稳定性，以免结构产生滑移和倾覆。
4 高层建筑结构设计的相关问题
4.1剪力墙结构应该具有延性。细高的剪力墙容易设计成具有延性的弯曲破坏剪力墙。当墙的长度很长时，可以通过设置洞口将长墙分成长度较小的墙段，用以分割墙段的洞口上可设置约束弯矩较小的弱连梁。抗震设计时，为保证剪力墙底部出现塑性铰后具有足够大的延性，应对可能出现塑性铰的部位加强抗震措施。
4.2结构的规则性问题：结构的规则性包括平面规则和竖向规则。抗震设计的混凝土高层平面宜简单、规则、对称，减少偏心，长度不宜过长，平面突出部分的长度不宜过大、宽度不宜过小；竖向体型宜规则、均匀，避免有过大的外挑和收进，结构的侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化。在方案阶段就要考虑这些问题，避免在施工图阶段受这些问题的限制。
4.3结构的超高问题：在抗震规范和高规中，对结构的总高度有着严格的限制。在实际工程设计中，出现过由于结构类型的变更而忽略该问题，导致施工图审查时未予通过，必须重新进行设计或需要开专家会议进行论证等工作的情况，对工程工期、造价等整体规划的影响相当大。
4.4嵌固端的设置问题：由于高层建筑一般都带有地下室，嵌固端有可能设置在地下室顶板，也有可能设置在人防顶板，在这个问题上，往往容易忽视由嵌固端的改变带来的一系列问题，如：室内外高差特别大的情况下，如果室内外高差做到了1.2m，那么嵌固端是在基础顶板还是在地下室顶板上，在这种情况下，就应该考虑两种嵌固端的位置分别计算，最后进行包络设计。
4.5短肢剪力墙的设置问题：在规范中，对短肢剪力墙在高层建筑中的应用增加了相当多的限制，最小配筋率比一般剪力墙高出许多，因此，在高层建筑设计中，结构工程师应尽可能少采用或不用短肢剪力墙，以避免增加含钢量。
5 结语
随着我国建筑行业的不断发展，人们对建筑质量的要求也会越来越高。为了能够将人们的要求充分满足，建筑结构必须进行科学合理的设计，这样，不仅能够有效解决目前市场上土地价格上涨给工程造价带来的影响，有效降低了开发商的成本，而且还能够在确保建筑整体质量达到规范标准的基础上，使建筑的结构设计能够满足客户的诸多需求。同时，还在很大程度上实现了房屋外形美观，结构实用、舒适的目标。